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摘要：金屬礦產資源開采是人類獲得工業原料的主要方式，近年來，隨著全球礦產資源開采量的持續增長，開采難度不斷加大，要求提高礦山的采礦效率、降低采礦成本、減少安全事故風險、改善經濟效益。國內金屬礦山在逐步實施機械化、自動化、信息化、數字化等現代高新技術過程中，提出了“智能采礦”。在介紹了中國金屬礦山的現狀和露天、井下兩種主要采礦方式后，對國內外智能采礦的進展進行了綜述。

關鍵詞：金屬礦山；智能采礦；露天采礦；井下采礦

Abstract: The mining of metal mineral resources is the main way for mankind to obtain industrial raw materials. In recent years, with the continuous growth of mining amount of global mineral resources, the difficulty of mining is increasing. This requires to improve the mining efficiency, reduce the mining cost, reduce the risk of the safety accident and improve the economic benefit. In the process of gradually implementing modern high technologies such as mechanization, automation, information and digitalization, domestic metal mines have put forward "intelligent mining". After introducing the current situation the metal mines in China and the two main mining methods in opencast and underground mining, the progress of intelligent mining at home and abroad is reviewed.

Key words: Metal mineral; Intelligent mining; Opencast mining; Underground mining

1 概述

據統計，中國目前礦山總共有19600座，礦石開采過程分為露天開采和井下開采，以地下開采為主，而海洋開采已提到議事日程。

當礦床埋藏較淺時，可考慮采用露天采礦，其工藝過程是將礦體上的覆蓋物剝離移走，然后采出所需礦石。露天采礦通常分為兩個階段：基建階段和生產階段。基建階段的主要任務是建立運輸干線及建立供電、供水系統，修建排土場、機修廠等相應設施，以及完成生產階段所必需的采準、剝離工程量；生產階段的主要任務是在完成規定的采出礦石量外，為保持后續的生產，也需完成一定的采準、剝離工程量。

露天礦在開采過程中，必須將礦、巖劃分成一定厚度的水平層，然后由上向下逐層進行開采，這些階梯狀的工作面叫做臺階，臺階高度一般為10~14m，每個臺階大多使用獨立的穿孔和采掘設備。生產階段的主要作業為穿孔、爆破、采裝和運輸。

涉及露天采礦主要設備是：牙輪鉆機、電鏟和卡車等。

一般來說，埋藏很深的礦床必須用井下采礦，金屬礦山主要是在巖層中間開采，井下開采多采用豎井、斜井、平巷和天井。

涉及井下采礦主要設備是：鑿巖機、鏟運機、皮帶輸送機、電機車等。

我國礦產資源總量較豐富。目前，我國已發現171種礦產資源，探明有儲量的礦產168種，已探明礦產資源儲量潛在價值約占世界礦產資源總價值的14.6%，居世界第3位。然而，我國礦產資源人均占有量遠遠低于世界平均水平。45種主要礦產資源，我國人均儲量居世界第80位，僅為世界平均水平的58%。國民經濟需要的大宗支柱礦產品種，如鐵、錳、銅、鉛、鋅、鋁土礦等金屬礦產，均不能滿足需求。如中國鐵礦石產量（指已經折算為全球平均品位后的產量）2013年約占全球14%，2016年中國銅產量占全球的34.5%，而銅礦石產量（折算為銅的產量）僅占全球產量的6.78%。所以每年65%以上鐵精礦、70%以上銅精礦和50%鋁土礦須從國外進口。主要金屬礦產資源如此高的國外依存度，對我國國民經濟發展構成了潛在的嚴重威脅。

2 智能采礦

以往，采礦被認為是最臟、最苦、最累的工作，特別是井下采礦，想象中礦工的樣子是滿臉灰塵、滿身油污，在充滿污濁空氣的巷道中使用鋼釬、鐵錘打孔、裝藥、爆破，人力裝車出礦。這的確也是國內不少礦山井下采礦的真實寫照。

隨著國民經濟的發展，我們國家的礦山逐步實施機械化、自動化、信息化、數字化、地理信息系統等現代高新技術和礦山自動化設備，提高礦山的采礦效率、降低采礦成本、減少安全事故風險、改善經濟效益，從而有效提高礦山企業的競爭能力。近年來，在“信息化”、“數字礦山”、“互聯網+礦山”等提法的基礎上又提出“智能采礦”。“智能采礦”是“工業化”與“信息化”的有機結合和新的發展階段，是“互聯網+礦山”的本質體現。所謂“智能采礦”是指在考慮安全、綠色、效率、經濟等多方面的因素后，在礦石開采過程中，以開采環境數字化、采掘裝備智能化、生產過程遙控化、信息傳輸網絡化和經營管理信息化為特質，以實現安全、高效、經濟、環保為目標的采礦工藝過程。實現智能采礦后，采礦作業的操作人員可由井下搬遷至室內，通過遠程遙控完成生產作業，不僅大量減少下井工人，最大程度地解決礦山生產安全問題，同時容易實現大規模開采，大幅提高勞動生產率，降低成本，提升企業的競爭力。

對露天采礦，“智能采礦”重點研究利用GPS監控采場全部移動設備的位置，采用最佳算法分派汽車到電鏟、破碎站、礦堆和排土場，從而使物料流（礦石和廢石）和設備的利用實現最佳化，還應研究集成設備定位、跟蹤和狀況監控、易耗品（燃油、輪胎、鉆頭等）跟蹤、邊坡穩定監控、送選廠礦石品位監控、提供生產報告等功能。對井下采礦，智能采礦重點研究無線多媒體數據智能化通訊、井下人員與設備的精確定位與智能導航、井下安全與環境災害智能監控、虛擬采礦與仿真、井下關鍵采礦裝備的智能化控制、井下通風智能化監控、智能精細化采礦爆破技術和地下礦山智能化調度管理等一系列關鍵技術與裝備。

在實施“智能采礦”過程中，自主研究開發國產技術與裝備，通過現代高新技術提升傳統產業，推動我國礦產資源開發向“高效、安全、綠色與可持續”方向發展，增強我國礦業行業的核心競爭能力。

3 國外智能采礦的進展

近年來國外智能采礦進展很快，加拿大、瑞典、芬蘭、南非、澳大利亞等國在智能采礦領域奮斗了二三十年，取得了豐碩的成果。如1991年芬蘭提出1992~1997年的五年智能礦山技術研究計劃，預算1200萬美元。之后又提出智能礦山實施研發計劃，歷時3年。加拿大1993年完成論證并開始實施采礦自動化項目五年計劃，預算近2000萬美元。還制定一項遠景規劃，擬在2050年實現所有機械破碎和自動采礦設備衛星操控的無人礦山。

3.1 露天開采

2005年，株式會社小松制作所自動運輸系統開始在CODELCO智利銅礦區試運行；2008年1月，世界上首臺商用自動運輸系統成功實現運行；第二臺無人駕駛自卸卡車于2008年在力拓澳大利亞鐵礦上成功實現運行。目前，力拓在其西澳大利亞Pilbara的四個礦區運行無人駕駛車輛，整套自動運輸系統由距離礦區約1500公里的力拓Perth控制中心遠程高效地操控。2013年，Suncor公司也在其位于加拿大的部分油砂礦區運行了自動運輸系統。2017年9月，小松成功完成了標準型自卸卡車加裝自動運輸系統套件的試運行，加裝后能使卡車在自動駕駛的模式下運行。在此之后，小松收到了來自力拓的29套自動運輸系統加裝套件的訂單，這些套件都將安裝在力拓Brockman4號礦區目前運行的標準型自卸卡車上。至2017年，共有超過100臺小松無人駕駛自卸卡車在澳大利亞、北美和南美地區運行。

沃爾沃公司宣布已經開發一套解決方案，測試全自動無人駕駛卡車，它可以在礦區自動導航，不需要人的監督，汽車就可以按預定路線行駛。卡車車身安裝了傳感器和GPS，用來監控固定和移動障礙物，卡車還可以與運輸系統中心通信。

目前，國外露天礦已經發展到以運輸卡車無人駕駛為龍頭的自動化采礦階段。自動控制鉆機-穿孔作業、無人駕駛礦用卡車、GPS卡車調度系統、邊坡位移實時監測、設備預防性維修、礦山規劃模擬仿真等已經應用嫻熟。

位于智利北部的必和必拓公司埃斯孔迪達銅礦（Escondida）是世界最大的露天銅礦，年產127萬噸（礦石含銅），對鏟車鏟起的礦石所含有價金屬含量采用新型傳感器進行測試，以判斷礦石是有價礦石還是無價廢石，有了新技術的幫助，使送入處理工廠的銅礦石含銅量提高10%。

國外一些公司還推出全自動工業無人機，機上可安裝紅外傳感器和變焦鏡頭，以自動執行一些程序化任務，比如檢查設備、指導調查、繪圖、尋找安全漏洞。

3.2 井下開采

在井下開采方面，以裝載機出礦遠程遙控為核心的采礦自動化已經形成。能夠實現中深孔鑿巖遠程遙控、鏟運機出礦遠程遙控與自動化運行、溜井口大塊礦石破碎遠程遙控運行、地下運礦卡車及無人駕駛電機車運輸系統的作業。

如智利特尼恩特（Teniente）銅礦日出礦量13萬噸，世界上最大的地下礦山。已實現半自動出礦，裝載機裝載為遠程遙控操作，運行和卸載由機載計算機自動操作。

芬蘭基律納鐵礦位于瑞典北部，深入北極圈內145km，基律納鐵礦設計原礦年生產能力為2200萬噸，計劃在2018年前完成系統改造和產能提升，實現3500~4000萬噸的生產能力。基律納鐵礦采場鑿巖、裝運和提升都已實現智能化和自動化作業，鑿巖臺車和鏟運機都已實現無人駕駛（如圖1所示）。巷道支護采用噴錨網聯合支護，噴射混凝土厚度一般為3~10mm，由遙控混凝土噴射機完成。基律納鐵礦基本實現了“無人智能采礦”，僅依靠遠程計算機集控系統，工人和管理人員就可實現遠程操作。在機車上還裝有品位測定儀，能將每列車上礦石的品位信息傳送到中心計算機，以自動完成配礦和機車調度。在井下作業面除了檢修工人在檢修外，幾乎看不到其他工人。全礦有4000多員工，從事井下作業的僅500人，原來鏟運機司機有100人，現已減少三分之二，井下人員平均勞動生產率達到68750t/a，這個數據大約是中國冶金礦山井下人員平均勞動生產率2017年指標3371t/a的20倍。

圖1 基律納鐵礦無人駕駛的鑿巖臺車

4 中國智能采礦的進展

目前，國內礦山開采相對比較落后，主要表現在機械設備檔次較低、檢測傳感器數量少、控制系統應用層次不高、使用人員較多。要真正實現“智能采礦”，需要機械設備的智能化、控制系統的數字化、人員配備的高素質化。但是在我國的一些大型先進礦山，“智能采礦”技術在許多方面已接近或達到國際先進水平，如銅陵有色銅山礦業公司、洛鉬集團、杏山鐵礦、大冶有色銅綠山礦、湖南柿竹園公司等。

2011年國家科技部的“863”國家高技術研究發展計劃，在投入資金支持“數字礦山”技術研究的同時，還投入資金開展“智能采礦”技術研究。因此，我國在“數字礦山”、“智能采礦”的技術研究方面已取得部分成果：一些礦山已經建立了井下光纖主干通信網絡；開發了與智能采礦相關的無線數字通信技術；采用了井下人員跟蹤定位系統和井下災害預防、監測、監控系統；研發了一批具有知識產權的礦業軟件；大批礦山進行了數字礦山基礎建設；一批智能采礦設備得到應用；地下礦無人駕駛電機車運輸技術研制并投入運行；國內涌現以智能礦山為其主打目標的硬軟件一體化的企業。

4.1 露天開采

江銅集團德興銅礦為特大型斑巖露天礦山，采礦場面積為5.52km2，1997年，已達到每天70kt的采礦生產能力，擁有大型采掘設備為孔徑250mm牙輪鉆機13臺、電鏟10臺（斗容分為16.8m3和13m3兩種）、運輸沒備158t卡車（電動輪自卸汽車）52臺。1998年德興銅礦引進美國模塊公司基于GPS的Dispatch卡車調度系統并在采礦場投人使用，卡車調度系統為礦山的管理理念與產量的提升發揮了重要的作用。

圖2 江銅集團德興銅礦卡車調度系統

另外卡車調度系統還帶有邊坡監測裝置，在采礦場已形成最終邊坡的關鍵部位設有監測點，對邊坡變形進行監測。

丹東東方測控技術股份有限公司是國內以實施智能礦山為主的硬軟件一體化的企業，已在中鐵資源集團伊春鹿鳴礦業實施露天礦GPS車輛智能調度管理系統，系統由車載終端系統、無線寬帶通信系統、無線視頻監控子系統、DLP大屏監控子系統、燃油監控子系統、配礦系統、報表工具等組成，以GPS定位技術為依托、線性規劃算法模型為優化手段、無線通信技術為數據傳輸方式、計算機技術為基礎，通過對露天礦主要采運設備的位置、狀態、物料等信息的采集，準確查詢統計當前生產情況，實現對卡車、電鏟等設備運行的實時跟蹤及顯示，優化調度卡車運行，從而起到優化車隊運行、準確執行生產計劃的作用，能有效避免偷油和意外漏油的發生；配礦系統使實時品位達到目標品位要求，避免因品位不符造成的損失；單車生產效率較人工調度提高5.18%。在緬甸萬寶礦產（緬甸）銅業有限公司，丹東東方測控技術股份有限公司提供了一整套包括各個采區的生產調度、車載終端、網絡通信、鉆機自動布孔與導航、車輛運行防碰撞預警系統、燃油管理系統在內的露天礦GPS車輛智能調度及管理系統，實現對緬甸萊比塘銅礦采運作業的實時遠程自動化生產指揮和生產管理。2017年5月，經過軟件調試、運行以及現場實際生產應用，已經完成系統初驗。

2016年初，內蒙古北方重汽、中國科學院合肥所和東方測控利用各自技術優勢，開展露天無人駕駛核心技術國產化攻關研究。三方技術團隊圍繞我國露天礦山生產特點，通力合作，克服了通信、智能調度、硬件、算法等一列技術難題，并將在近期進行測試。

4.2 井下開采

國內礦山實施建立和完善了地下礦山安全避險“六大系統”：礦山監測監控、井下人員定位、礦井供水施救、礦山壓風自救、礦井通信聯絡、井下緊急避險，通過“三網合一”環網冗余、監測數據雙機熱備、多層次分布供電、設備故障自診斷、安全事件分析模塊、多層次接口設計等方法，提高“六大系統”建設的可靠性和兼容性，保障井下開采安全作業的順利進行。并在此基礎上，向智能采礦努力。

云南大紅山鐵礦資源豐富，鐵礦石儲量484Mt，銅礦石量83Mt，銅金屬量539.4kt，屬特大型冶金礦山，已建成規模4.5Mt/a原礦采選能力，最終設計規模為年處理原礦12Mt。昆明有色冶金設計研究院參與的昆鋼大紅山鐵礦智能采礦目前實施的處于礦山監控調度系統階段，通過過程數據的采集、顯示、存儲、分析并結合實時視頻監視的模式，將用戶最迫切了解的信息匯聚于調度指揮中心，并通過IE的方式與其它部門分享信息、協同管理。整個項目集礦山的總體管理、決策、調度于一體。實現共有資源調配、控制、聯動反應。項目整合了現有基礎自動化系統，通過計算機網絡對覆蓋整個采礦作業區的主要生產過程數據進行收集、顯示、記錄和統計，集設備運行監控和生產計劃管理于一體，實現生產調度、管理的數字化、信息化。基礎自動化子系統包括井下多級通風系統、盲豎井提升系統、礦石破碎運輸系統、井下人員車輛定位調度系統、380鐵路信號系統、35kV變電站及6kV變電所電網系統、井下中央泵房控制系統等子系統。

中國恩菲工程技術有限公司開發了“地下礦無人駕駛電機車運輸技術”，它將機械、采礦、變頻、計算機、無線通信、總線等多學科、多領域的高端技術有效地結合在一起，實現了機車的可靠、穩定與高效運行。采用無人駕駛電機車控制系統后，在地下集中調度室可以完成對整個運輸任務的控制。在運輸過程中，電機車大部分時間處于自動運行狀態，當條件滿足時以允許的最大速度運行，而在彎道、限速區域以及卸載站等均自動降速，從而大大提高了電機車的安全性和運輸效率。在電機車裝礦階段，控制人員在地下集中調度室通過視頻輔助遠程遙控完成裝礦操作，取消了現場操作人員。控制系統可避免超速掉軌事故、追尾事故的發生，確保電機車運輸的安全性。地下集中控制室的功能也完全可以轉移到地表集中調度室完成，從而節省上下井換班時間對生產的影響，增加有效生產時間。

2012年5月，中國恩菲20噸地下礦無人駕駛電機車運輸系統首先在銅陵冬瓜山銅礦-875m中段投入生產試運行，至2013年3月累計運輸礦量30萬噸，單系統連續無故障運行時間720h；如全面采用此項技術，運輸系統作業人員將由原來的40人減少至8人，維護工作和人員配備也會隨之減少；冬瓜山銅礦已決定在-1000m中段運輸系統全部采用該技術。

2017年02月，中國恩菲工程技術有限公司與中色非洲礦業有限公司簽訂贊比亞謙比希主、西礦體500m中段無人駕駛電機車運輸項目合同。

中國恩菲工程技術有限公司多年來一直追蹤世界自動化采礦技術發展的趨勢，開展研究和推動工程化應用，形成了固定設施無人值守、無人駕駛電機車運輸、無軌采礦自動化作業、供配電融合控制系統和礦山信息化管理系統等關鍵技術，通過與國家超級計算中心共同建立中國礦業信息化協同創新中心，集成礦業大數據和云計算技術，探索為企業提供智能礦山整體解決方案。云南普朗銅礦一期采用中國恩菲核心專長的自然崩落法采礦工藝，擁有自動放礦、無人駕駛、長距離膠帶運輸、井下旋回破碎等現代化設備，采用了當今世界上采礦先進技術和裝備，項目建成后，將成為國內采礦工藝最先進、裝備水平最高的特大型銅礦山。中國恩菲自主研發的業績引起了采礦行業的高度關注，這在很大程度上推進了無人開采技術的發展和智能化礦山建設。

洛陽欒川鉬業集團股份有限公司澳大利亞北帕克斯礦山是一座大型的銅金生產礦山，井下采礦2014年3月起就實現了80%自動化，現已提升到完全自動化。礦山的無人駕駛裝載車自行運轉，完成裝礦、運礦和卸礦工作。

首鋼礦業公司杏山鐵礦已實現井下電機車的無人駕駛。

武鋼資源集團程潮礦業公司成立了無人駕駛攻關團隊，2016年5月開始井下無人電機車的測試、安裝和調試工作。2017年7月份，該公司井下無人電機車攻關項目在線試車成功，采取多種保護措施，有效降低了井下電機車掉道、撞車等風險，提升了運輸安全本質化水平。目前，該公司已實現-500m水平4臺無人電機車上線運行，并形成了運輸環線。據分析，井下無人電機車系統每年可創效益306萬元。

中冶北方總承包建設的酒鋼鏡鐵山礦樺樹溝礦區2520m電機車無人駕駛改造項目通過驗收并進入試運行階段。

4.3 機器人

機器人也是智能采礦關鍵設備之一，除了在常規工作場合應用外，在一些人無法到達的區域，機器人更能大顯身手。水下機器人可用于水淹廢棄礦井開采和深海采礦，水淹廢棄礦井用的水下采礦機器人已經成功研發并開始進行試驗，而深海采礦機器人已開始研發，并準備應用到實際作業當中。太空采礦機器人同樣極具潛力，中國已積極推進與行星采礦相關的理論研究與技術研發、儲備。

5 結束語

金屬礦產資源開采是人類獲得工業原料的主要方式，近年來，隨著全球礦產資源開采量的持續增長，開采難度不斷加大，各國都十分重視采礦業與科技的融合。當前，我國智能礦山技術發展主要體現在信息采集與傳輸、綜合調度中心、資源管理系統、礦山安全監測預警等方面。今后要加快智能設備制造、生產遙控操作、計算機遠程控制等項工作，以促進傳統產業的轉型升級，提高企業核心競爭力，改善人員作業環境，降低人員勞動強度，提高礦山安全水平，促進社會和諧。

“智能采礦”的高級實現形式——無人采礦將成為世界采礦業的未來發展方向和追求目標。

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[10] 方原柏. 有色金屬生產過程自動化[M]. 北京：人民郵電出版社，2014.

作者簡介：

方原柏（1942-），湖北黃岡人，昆明有色冶金設計研究院電氣自動化分院教授級高級工程師，昆明儀器儀表學會理事長，中國衡器協會技術專家委員會顧問，主要從事儀器儀表、控制系統的應用研究，曾出版《電子皮帶秤的原理及應用》（1994年，冶金工業出版社》、《電子皮帶秤》（2007年，冶金工業出版社）、《有色金屬生產過程自動化》（2014年，人民郵電出版社）、《工業無線通信技術及應用》（2015年化學工業出版社）四本專著，發表論文330篇。

摘自《自動化博覽》2018年11月刊